從RGGN到RYYB 手機(jī)圖像傳感器能逆襲單反嗎？

本來(lái)嘛，我也沒(méi)拆過(guò)智能手機(jī)，不過(guò)上次為了證明魅族16s是否有點(diǎn)膠，確實(shí)過(guò)了把癮，將一臺(tái)手機(jī)拆了個(gè)底朝天。四三認(rèn)為在現(xiàn)在的智能手機(jī)中，攝像頭應(yīng)該是物理結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的元件之一，它通常是由PCB主板、CMOS圖像傳感器、固定器（Holder）和鏡頭（Lens Ass’Y）組成。但是實(shí)際上，主要負(fù)責(zé)拍照、錄像的還是由CMOS圖像傳感器負(fù)責(zé)。寫這篇文章主要還是想科普下最基礎(chǔ)的像素點(diǎn)排列方式對(duì)CMOS圖像傳感器的影響吧。

首先大家都知道攝影是用“光”的藝術(shù)，而光是要傳到傳感器上話，則需要透過(guò)鏡頭的折射，鏡頭一般由透鏡（5片起步，數(shù)量越多越好，玻璃＞樹(shù)脂），再通過(guò)濾光裝置（以RGB原色分色法和CMYK補(bǔ)色分色法為主，后文將詳細(xì)解釋）打到CMOS圖像傳感器，拍攝出你想要拍攝的畫面。至于其他不同的光圈和焦距則可以方便你在不同的場(chǎng)景中拍攝出景深和焦段好看的照片，許多廠商主打的OIS光學(xué)防抖則需要集成額外的馬達(dá)和MEMS陀螺儀進(jìn)行輔助。

對(duì)于智能手機(jī)而言，許多廠商的終極目標(biāo)就是擁有媲美單反相機(jī)的成像素質(zhì)。然而，受限于CMOS圖像傳感器的物理瓶頸，手機(jī)鏡頭普遍開(kāi)孔只有8mm，這怎么與單反專用的CMOS圖像傳感器對(duì)決呢？所以為了縮小與單反相機(jī)之間的差距，只有不斷提升CMOS成像畫質(zhì)這么一條出路。玩攝影的都知道一句話“底大一級(jí)壓死人”。所以既然突破不了物理限制，那么就走增加CMOS圖像傳感器的尺寸這么一條路能不能行得通呢？

那么問(wèn)題來(lái)了，在現(xiàn)在最求纖薄的智能手機(jī)，與加大CMOS圖像傳感器尺寸的發(fā)展方向是違背的，比如歷史上首臺(tái)裝進(jìn)了1/1.2英寸的諾基亞808PureView，為了塞入這個(gè)1/1.2英寸的CMOS圖像傳感器，諾基亞808PureView相機(jī)部分厚度17.95mm。所以作為今年主打的IMX586/IMX600還是IMX650，這些頂級(jí)超大像素圖像傳感器的尺寸也只有1/2.0英寸和1/1.7英寸，雖然比平常手機(jī)常用的那些1/2.X英寸的CMOS圖像傳感器來(lái)說(shuō)算是“大底”，但是和專業(yè)的單反CMOS圖像傳感器來(lái)比，那就是弟弟。

那么來(lái)說(shuō)說(shuō)第二條路，提升CMOS圖像傳感器的進(jìn)光量可不可行呢？因?yàn)樵黾觽鞲衅鞯倪M(jìn)光量可以在相同場(chǎng)景下拍出亮度更高、銳度更清晰以及噪點(diǎn)更少的照片。對(duì)于CMOS圖像傳感器來(lái)說(shuō)，增加進(jìn)光量的方法還是很多滴，比如增加傳感器尺寸、增大鏡頭光圈、增加單個(gè)像素感光面積、引入U(xiǎn)ltraPixel超像素?cái)z像頭（某涼了的火腿腸ONEM7）。

然而，市場(chǎng)還是證明UltraPixel超像素?cái)z像頭不被認(rèn)可，同時(shí)鏡頭光圈和傳感器尺寸也一樣，對(duì)于手機(jī)那可憐的8mm的小身位來(lái)說(shuō)，F(xiàn)/1.6的光圈幾乎就是極限了。IMX586通過(guò)QuadBayer陣列（索尼提出的一個(gè)“四像素合一”的技術(shù)）可以實(shí)現(xiàn)等效1.6μm單個(gè)像素感光面積，更高端的IMX600傳感器也才2.μm，依舊存在天花板。

在目前的科技樹(shù)條件下，要想PK單反，就只能從CMOS圖像傳感器的底部架構(gòu)入手了。

開(kāi)始介紹CMOS圖像傳感器底層架構(gòu)之前，首先先說(shuō)說(shuō)拜耳陣列，我們?nèi)搜劬δ芸吹讲煌纳?，主要是因?yàn)槿搜凵嫌锌梢愿兄煌l光線的細(xì)胞，CMOS圖像傳感器就是相機(jī)里面可以感受不同顏色的“細(xì)胞”，只是我們稱他們?yōu)橄袼攸c(diǎn)，并以拜耳陣列（Bayer array）的形式加以排列。

歷史上，柯達(dá)公司的影像科學(xué)家布萊斯·拜耳（Bryce Bayer）最早發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)紅綠藍(lán)三原色中的綠色最敏感，所以他嘗試在CMOS圖像傳感器上方加入了一塊濾鏡，采用1紅2綠1藍(lán)（RGGB）的排列方式將黑白信息轉(zhuǎn)換成彩色信息，讓呈現(xiàn)出CMOS圖像傳感器上的色彩更加接近人眼的視覺(jué)效果。因此，幾乎所以的CMOS圖像傳感器都采用了RGGB排列方式，也就是我們常說(shuō)的“拜耳陣列”，或者“拜耳濾鏡”。

但是拜耳陣列也是有缺陷的，因?yàn)镃MOS圖像傳感器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)法得到顏色信息，拜耳陣列則是起到了分色的作用，光線經(jīng)過(guò)濾鏡時(shí)，只允許同種顏色的光進(jìn)入，紅光進(jìn)紅像素，綠光進(jìn)綠像素，其他顏色的光則被擋在門外，因此我們成像時(shí)，除了得到顏色外，還多出了一些明暗的信息。分色也會(huì)在過(guò)濾光線時(shí)候，損失一些光線強(qiáng)度，其他顏色信息也會(huì)全部損失掉，記住這是考點(diǎn)：全部。所以拜耳陣列加持下的CMOS圖像傳感器是永遠(yuǎn)無(wú)法百分百還原真實(shí)景物的色彩，只能無(wú)限接近于真實(shí)，人民為了得出最接近真實(shí)的顏色，則需要根據(jù)相鄰的像素點(diǎn)顏色信息來(lái)“猜出”這個(gè)位置上過(guò)濾掉其他顏色的信息，這種“猜色”環(huán)節(jié)則被稱為“反拜耳運(yùn)算”。這也解釋出為什么拍出的照片會(huì)出現(xiàn)“偏色”現(xiàn)象，這是在“猜色”環(huán)節(jié)中猜錯(cuò)了。

說(shuō)了這么多，手機(jī)廠商應(yīng)該怎么改良呢？首先則是我們的RGBW結(jié)構(gòu)的CMOS。

RGGB結(jié)構(gòu)

上面也說(shuō)了，人眼對(duì)綠色最為敏感，也因此拜耳才會(huì)在RGGB陣列上用上了2個(gè)綠色像素。那么我們能不能將其中一個(gè)綠色像素（G）換成完全透光的白色像素（W）呢？所以第一款四色傳感器誕生了，歷史上最早推出RGBW結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器的廠商是Omnivision（OV），摩托羅拉旗下的motoX、MotoDroidMIni等產(chǎn)品都用過(guò)這類CMOS，只是當(dāng)時(shí)摩托羅拉只將這個(gè)稱謂“clearPixel”技術(shù)?？上V在傳感器市場(chǎng)以及摩托羅拉日漸式微，這種RGBW的CMOS圖像傳感器并沒(méi)有被很多人知曉。

真正將RGBW發(fā)揚(yáng)光大的，則屬于索尼的IMX278傳感器（華為Mate8、一加3和vivo X7Plus等采用這種傳感器，而IMX298也是RGBW結(jié)構(gòu)CMOS）。現(xiàn)在摘抄當(dāng)年手機(jī)廠商宣傳口號(hào)“低亮度下感光能力可提升32%，噪點(diǎn)降低78%”因此被華為P8和魅藍(lán)6T等手機(jī)武裝上了。

RWWB結(jié)構(gòu)

上面說(shuō)了，扣掉一個(gè)綠色像素?fù)Q白色像素就這么強(qiáng)了，為什么不再進(jìn)一步呢？將兩個(gè)綠色像素?fù)Q成兩個(gè)白色像素豈不是美哉。2015年，聯(lián)發(fā)科在發(fā)布HelioP10時(shí)，就推出了一項(xiàng)稱為“TrueBright”的圖像引擎，這個(gè)技術(shù)的主要核心就是采用了“RWWB”結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器，這種傳感器將比RGBW傳感器的進(jìn)光量更大，可惜的是聯(lián)發(fā)科在發(fā)布HelioX20時(shí)候還主打的這一個(gè)技術(shù)，直到現(xiàn)在仍舊沒(méi)有一款RWWB的CMOS圖像傳感器出爐，我們可以將其稱為“薛定諤的傳感器”。

純黑白結(jié)構(gòu)

雖然聯(lián)發(fā)科的RWWB傳感器還是是理論層面的存在，但是我們還可以拿來(lái)“借鑒借鑒”，比方說(shuō)為什么不丟掉拜耳濾色鏡呢？讓CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)光線全透豈不是極大增加了傳感器的進(jìn)光面積？于是，索尼推出了專業(yè)的IMXMono黑白攝像頭，擁有極高進(jìn)光量，暗光環(huán)境下可以記錄更多暗部細(xì)節(jié)。

有利當(dāng)然也有弊，去掉分色系統(tǒng)后，Mono黑白鏡頭無(wú)法記錄彩色信息，所以必須搭配另一顆彩色CMOS圖像傳感器使用，通過(guò)雙攝+算法的方式來(lái)獲得比傳統(tǒng)RGGB以及RGBW單攝更好的夜景拍攝效果。時(shí)至今日，這種黑白+彩色的雙攝組合還是非常的流行，單攝RGBW傳感器則被遺忘在歷史的長(zhǎng)河中...

RYYB結(jié)構(gòu)

作為雙攝的先驅(qū)者，或者說(shuō)市場(chǎng)選擇了多攝矩陣模塊吧，RGBW已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰了。單攝CMOS對(duì)于最求更高的進(jìn)光量這個(gè)目標(biāo)一直沒(méi)變，如何進(jìn)一步完成拉近手機(jī)與專業(yè)單反（其他競(jìng)品手機(jī)）在夜拍時(shí)候的成像差距，是現(xiàn)今智能手機(jī)的未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向。華為P30系列和榮耀20系列應(yīng)該算是時(shí)下夜拍效果最好的智能手機(jī)“班帶”了。如果不談傳感器尺寸和光圈以及單個(gè)像素感光面積等參數(shù)，那么這幾款手機(jī)幾乎是拿自己口碑去賭博，因?yàn)镽YYB就是將兩個(gè)綠色像素（G）換成黃色像素（Y）替代。

和RGGB相比，RYYB可以減輕拜耳濾鏡在濾色過(guò)程中帶來(lái)光的進(jìn)光量折損問(wèn)題，同時(shí)可以讓進(jìn)光量提升40%之多。以華為P30Pro來(lái)說(shuō)，這款手機(jī)的ISO居然可以達(dá)到409600，是iPhone XS Max的64倍！從而只需要一絲亮光即可拍攝到純黑環(huán)境下的顏色細(xì)節(jié)。

現(xiàn)在開(kāi)始考試?yán)?，上面在說(shuō)RGBG，也就是最開(kāi)始的拜耳陣列時(shí)說(shuō)過(guò)，光是由三原色紅、綠和藍(lán)組成的，而黃只是其中之一，少了最關(guān)鍵的綠色又該如何還原真實(shí)的顏色呢？為此，黃色可以將紅色+綠色（R+G=Y）來(lái)獲得，這也說(shuō)明黃色是紅色和綠色的結(jié)合，在亮度上是由兩者疊加。所以將三原色重塑后，RYYB的CMOS圖像傳感器在色彩上將于RGGB傳感器有根本性的變化，RGGB光學(xué)三原色是加色法，表現(xiàn)的是吸收光，什么顏色像素吸收什么顏色的光。R+G+B即是白色，白色會(huì)吸收一切光。RYB三原色則是減色法，表現(xiàn)的是反射的光，黃色反射紅色和綠色，R+Y+B是白色，黑色是不吸收光的，反射一切的光。

從理論來(lái)說(shuō)，RYYB濾鏡雖然提升了進(jìn)光量，但是本質(zhì)還是變相增加紅色的進(jìn)光量而已，從而提升在夜景拍攝中的表現(xiàn)。同時(shí)也因?yàn)辄S色像素較多，會(huì)出現(xiàn)偏色問(wèn)題，綠色像素的缺少也將影響成像質(zhì)量，飽和度會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

華為想要完美駕馭RYYB傳感器，則是需要一套更加強(qiáng)大的硬件ISP和更加強(qiáng)大的算法。華為終端手機(jī)產(chǎn)品線總裁就表示，華為為了保證RYYB濾鏡的調(diào)色準(zhǔn)確性，付出長(zhǎng)達(dá)3年時(shí)間來(lái)調(diào)教。但是我們?cè)趧傞_(kāi)始評(píng)測(cè)P30的照片時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)了會(huì)出現(xiàn)偏色的問(wèn)題，隨后通過(guò)固件升級(jí)這個(gè)現(xiàn)象才慢慢變少。

總結(jié)

在智能手機(jī)的影像道路上，特定化的優(yōu)勢(shì)會(huì)帶來(lái)顯著的競(jìng)爭(zhēng)力。而定制的CMOS圖像傳感器濾鏡結(jié)構(gòu)則體現(xiàn)廠商技術(shù)實(shí)力的強(qiáng)悍，我們也希望有觀點(diǎn)廠商拿出自己對(duì)于拍照的獨(dú)特看法，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)挑戰(zhàn)單反的夢(mèng)想。